描述

介紹

在這個(gè)項(xiàng)目中，我將展示Scan Me! 的構(gòu)建！徽章，低功耗有線/非接觸式徽章，具有藍(lán)牙低功耗 5.0和NFC功能。

該徽章基于Nordic nRF52832 ，這是一款低功耗射頻 SoC ，具有BLE 5.0連接、NFC標(biāo)簽仿真和強(qiáng)大的Arm Cortex-M4處理器。

徽章的主要特點(diǎn)是：

• BLE連接
• NFC 標(biāo)簽模擬
• ARM Cortex-M4 @ 64Mhz
• OLED屏幕
• 3 x RGB LED-s
• 2 個(gè)用戶按鈕
• 低功耗 - 使用 CR2032 電池可使用 2 年以上
• 通過(guò) BLE 進(jìn)行 OTA 更新

該項(xiàng)目還用于教育目的。制作這樣的徽章，我認(rèn)為這是了解更多有關(guān) BLE、NFC 或低功耗設(shè)計(jì)等知識(shí)的好方法。

電氣設(shè)計(jì)

為了進(jìn)行電氣和PCB 設(shè)計(jì)，我使用了KiCad EDA開(kāi)源電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化套件。

（對(duì)不起 Eagle 團(tuán)隊(duì)，KiCad 更適合業(yè)余愛(ài)好和開(kāi)源項(xiàng)目：D）

基本原理圖基于53.3 原理圖 QFAA QFN48，帶有來(lái)自Nordic nRF52832 數(shù)據(jù)表的 DC/DC 穩(wěn)壓器和 NFC 設(shè)置參考。

組件：

• Nordic nRF52832 SoC （U1）——主SoC，徽章的“大腦”
• 32 MHz 晶體振蕩器(Y1) - 用于生成主 64 MHz 系統(tǒng)時(shí)鐘
• 32.768 kHz 晶體振蕩器(Y2) - 用于計(jì)時(shí)（delay()功能等）
• DC/DC 轉(zhuǎn)換器外部組件 - 2 個(gè)電感器（L2、L3）+ 一個(gè)電容器（C7）- 這些是必需的，因?yàn)闉榱私档凸模覀儗⑹褂脙?nèi)置的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器（而不是 LDO 穩(wěn)壓器）
• BLE 2.4Ghz 無(wú)線電 - 2.4 GHz 天線(Antenna2) + 幾個(gè)用于阻抗匹配和校準(zhǔn)的組件（L1、C3、R1、C15）
• NFC天線（Antenna1）+天線調(diào)諧電容（C9、C10、C16、C17）
• 電源-CR2032電池、電容（C4 C5、C6、C7、C8、C13、C14）

除了主要組件，我還添加了一些外圍設(shè)備：

• 1 x OLED 屏幕 - 4 針連接器(J2)：GND、VCC、SCL、SDA - 我們將使用這樣的 I2C OLED 模塊

• 3 x RGB LED （D1、D2、D3）- 4 針，共陽(yáng)極配置
• 2 x Push Button (SW1, SW2) - 低電平有效 - 必須激活相應(yīng) GPIO 引腳的上拉

還添加了一些連接器：

• #BadgeLife Shitty 附加組件連接器(X1) - 與Shitty 附加組件一起使用
• 編程端口(J1) - 用于對(duì)板進(jìn)行編程的 SWD 接口

確切的組件和封裝是在“即時(shí)”的基礎(chǔ)上選擇的：

• 對(duì)于 2.4GHz 天線，我最終使用了Texas Instruments SWRA117D PCB 天線（我選擇它主要是因?yàn)樗w積小，而且它已經(jīng)存在于 KiCad 的內(nèi)置庫(kù)中）
• NFC天線只是手繪的PCB走線
• 對(duì)于電阻器、電容器和電感器，我剛剛分配了 SMD 0805，然后查找了組件
• 我首先從 LCSC 目錄中選擇 RGB LED、開(kāi)關(guān)、晶體，然后分配適當(dāng)?shù)姆庋b
• 我已經(jīng)擁有的 OLED 屏幕

有關(guān)組件的完整列表，請(qǐng)參閱附件中的 BOM 文件。

“藝術(shù)品”

我在筆記本上畫(huà)的徽章的第一張草圖。之后，我用 Inkscape 做了一些繪圖：

最后是這樣的：

為了能夠在 KiCad 中使用這些繪圖，我使用mtl中的svg2mod腳本將 SVG 文件導(dǎo)出到 KiCad PCB 足跡模塊文件(.mod)。

要獲得可用的結(jié)果，首先必須將對(duì)象和筆劃轉(zhuǎn)換為路徑。此外，繪圖必須由與 KiCad PCB 層關(guān)聯(lián)的層構(gòu)成：Cu、SilkS 等（有關(guān)更多信息，請(qǐng)參見(jiàn) svg2mod 的自述文件）。

電路板設(shè)計(jì)

PBC 設(shè)計(jì)是在KiCad Pcbnew中完成的：

第一步是導(dǎo)入作為 KiCad 模塊導(dǎo)出的 Inkscape 繪圖。

在此之后，我只是放置了組件，從最大的組件（電池座、SoC）開(kāi)始，然后是靠近需要連接的引腳的最小組件。

最終布局如下所示：

NFC 天線只是用長(zhǎng)手繪 PCB 構(gòu)建的“線圈” ：

2.4 GHz 天線(BLE) 部分使用Texas Instruments SWRA117D PCB 天線。布局，我認(rèn)為，它可以做得更好（并沒(méi)有真正遵循數(shù)據(jù)表的參考設(shè)計(jì)），但它有效（信號(hào)強(qiáng)度可能更好）：

以下是 KiCad 的 3D 查看器的一些渲染圖：

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PCB 制造、組件和組裝

我考慮了多種選擇（OSH Park、JLCPCB、PCBWay）來(lái)制造 PCB。最后，我選擇了 JLCPCB，因?yàn)樗€以優(yōu)惠的價(jià)格提供組件 (LCSC) 和快速運(yùn)輸 (DHL)。

獲得 PCB 和組件大約需要 10 天（3 天制造 + 7 天運(yùn)輸） 。

我訂購(gòu)了 2 種顏色的 PCB-s：藍(lán)色和綠色。他們結(jié)果很好，我認(rèn)為：

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我還從LCSC訂購(gòu)了大部分組件（OLED 屏幕和一些 SMD 電阻器和電容器除外）。PCB （15 美元）和組件（15.84美元）的總成本為30.84 美元，包括 DHL 運(yùn)費(fèi)。

組件的焊接不是很容易，但我認(rèn)為這是可行的。它是用標(biāo)準(zhǔn)焊料和熱風(fēng)槍完成的。焊接后，我用顯微鏡（一個(gè)便宜的 USB 顯微鏡）檢查了接頭。

其余部分（主要是 0805 SMD）很容易焊接。

OLED屏幕也是SMD焊接的。首先，我從模塊中移除了排針。然后，我用焊料填充孔并使用烙鐵將模塊焊接到徽章的焊盤(pán)上。

這是組裝的徽章的樣子：

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BLE 和 NFC 天線調(diào)諧

（又名“我不知道我在做什么！”部分）

根據(jù) nRF52832 的數(shù)據(jù)表，NFC 和 BLE 天線需要調(diào)諧。

NFC 天線需要調(diào)諧到 13.56 MHz 。為此使用了幾個(gè)電容器（在我的設(shè)計(jì)中為 C9、C10、C16、C17） 。

有兩種方法可以確定調(diào)諧電容(Ctune)的值：

• 測(cè)量（或估計(jì)）天線電感并使用數(shù)據(jù)表中的公式計(jì)算電容器值
• 嘗試不同的電容值，使用網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)量系統(tǒng)的諧振頻率

由于沒(méi)有網(wǎng)絡(luò)分析儀，我很難測(cè)量天線的電感。在嘗試使用基于 Arduino 的電感表測(cè)量電感后（大多數(shù)萬(wàn)用表無(wú)法測(cè)量電感），我放棄了這個(gè)想法。天線的電感預(yù)計(jì)會(huì)非常小（在 1-3uH 范圍內(nèi)），測(cè)量起來(lái)并不容易。

因此，最終使用一些在線工具根據(jù)幾個(gè)參數(shù)（高度、寬度、圈數(shù)、軌道寬度、間距）來(lái)估算 PCB 天線的電感。我也嘗試了兩個(gè)，它們給出了以下值：

• 矩形 NFC 天線計(jì)算器 (medo64.com) - 1.9uH
• STMicroelectronics eDesign 天線- 2.0uH

將這兩個(gè)值應(yīng)用于數(shù)據(jù)表公式后，我得出 133pF (2.0uH) -> 141pF (1.9uH)電容范圍應(yīng)該用于將天線調(diào)諧到 13.56 MHz。AI 有 2 個(gè)電容器墊（每個(gè)引腳），我最終使用了 100pF + 33pF 電容。

BLE 2.4GHz 天線的阻抗應(yīng)匹配到 50 歐姆。基本設(shè)計(jì)中的 L1 和 C3 應(yīng)該這樣做，但我認(rèn)為，我犯了一個(gè)錯(cuò)誤，沒(méi)有遵循數(shù)據(jù)表中的 PCB 布局建議：

在原理圖中，我還添加了一個(gè)電容器(C15)用于微調(diào)，但最終沒(méi)有填充。

天線可以用，但我認(rèn)為信號(hào)強(qiáng)度可能會(huì)更好。

似乎確實(shí)需要真正的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀才能正確執(zhí)行此操作。（這個(gè)話題聽(tīng)起來(lái)很有趣，所以我最終可能會(huì)得到一個(gè)：））

軟件

安裝一些板包和庫(kù)后，可以在Arduino IDE中對(duì)該板進(jìn)行編程。

要添加對(duì) nRF5x 板的支持，我們可以在Boards Manager中安裝來(lái)自sandeepmistry的arduino-nRF5包。然后我們可以使用通用 nRF52板對(duì)徽章進(jìn)行編程：

arduino-nRF5 包不支持NFC功能。幸運(yùn)的是，arduino-org的arduino-core-nrf52包有它，所以我將它移植到我的 arduino-nRF5 分支中。代碼上傳到bluetiger9/arduino-nRF5，分支NFC。（更改有點(diǎn)混亂 :D，所以我還沒(méi)有提交拉取請(qǐng)求）

NFC 庫(kù)提供了以下方法：

• 設(shè)置要發(fā)布的文本
• 設(shè)置要發(fā)布的 URL
• 設(shè)置要啟動(dòng)的Android APP

BLE功能由arduino -BLEPeripheral庫(kù)提供，也來(lái)自sandeepmistry 。該庫(kù)添加了對(duì)實(shí)現(xiàn)不同類型 BLE 服務(wù)/設(shè)備的支持。我們將主要使用“串行”示例中的BLESerial服務(wù)。

為了探索 nRF52832 的節(jié)能特性，我使用了。來(lái)自mristau的Arduino_nRF5x_lowPower庫(kù)。該庫(kù)可用于：

• 從 LDO 穩(wěn)壓器切換到 DC / DC 轉(zhuǎn)換器（需要外部組件）- 這減少了大約 40-50% 的功耗
• mode 低功耗模式和關(guān)機(jī)模式 - 這將功耗降低到大約幾微安 - SoC 可以配置為在不同事件上喚醒：GPIO、NFC 字段（僅實(shí)現(xiàn) GPIO）

電路板的實(shí)測(cè)電流消耗如下：（+200mAhCR2032 電池的理論運(yùn)行時(shí)間）

• LDO 穩(wěn)壓器 - 5.35 毫安（1.5 天）
• DC/DC 轉(zhuǎn)換器 - 2.82 mA （3 天）
• 關(guān)機(jī)模式 + 在 GPIO 上喚醒 - 9.7 uA （2 年以上）

我還構(gòu)建了一個(gè)簡(jiǎn)單的演示應(yīng)用程序來(lái)演示徽章的功能。該應(yīng)用程序具有以下功能：

• 具有自定義測(cè)試、URL 的 NFC 標(biāo)簽仿真
• OLED屏幕演示
• 簡(jiǎn)單的 BLE 接口來(lái)設(shè)置 NFC 標(biāo)簽發(fā)布的文本或 URL
• 閑置 10 秒后，徽章進(jìn)入省電模式

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我使用 Android 手機(jī)（NFC 工具應(yīng)用程序）和 Arduino RFID 閱讀器測(cè)試了 NFC 功能。

對(duì)于 BLE 功能，我使用了Nordic 的nRF UART應(yīng)用程序：

這個(gè)應(yīng)用程序可以很容易地?cái)U(kuò)展附加功能。

源代碼可以在附加的存儲(chǔ)庫(kù)中找到。

對(duì)電路板進(jìn)行編程

可以使用串行線調(diào)試 (SWD)協(xié)議對(duì) nRF52832 SoC 進(jìn)行編程。需要 SWD 程序員，例如全球速賣通的 3 美元 ST-Link V2 克隆版，才能執(zhí)行此操作。

該板具有 nRF52832 的 SWDIO、SWDCLK、SWO、RST、VCC 和 GND 引腳，路由到徽章一側(cè)的 6 個(gè)焊盤(pán)：

要對(duì)電路板進(jìn)行編程，我們需要將 GND、SWDCLK、SWDIO 和 VCC 連接到 SWD 編程器的相應(yīng)引腳。

有兩種方法可以做到這一點(diǎn)：

• 直接在焊盤(pán)上焊接一些電線——我在第一次測(cè)試時(shí)這樣做了
• 破解一個(gè)編程適配器——我使用了一塊備用徽章 PCB、一些彈簧式接觸針、M3 螺絲和一些熱膠：

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更進(jìn)一步，更好的版本也可以從這種風(fēng)格的程序員構(gòu)建。

OTA更新

能夠?qū)照逻M(jìn)行無(wú)線編程將很有用。

經(jīng)過(guò)一些研究，我發(fā)現(xiàn)了兩種可能的方式來(lái)實(shí)現(xiàn) OTA 更新：

• 使用Arduino IDEOTA和通過(guò) BLE 實(shí)現(xiàn)的 IPv6
• 使用Nordic 的安全 DFU 引導(dǎo)加載程序和新的 Arduino IDE 上傳工具

我認(rèn)為，第一個(gè)變體應(yīng)該是要走的路。它使用 Arduino IDE 的某種標(biāo)準(zhǔn) OTA 功能，并且通過(guò) BLE 實(shí)現(xiàn) IPv6 也可用于其他項(xiàng)目。

玩得開(kāi)心！

注意：我有幾個(gè)未使用的徽章PCB 。如果你想要一個(gè)給我留言。